纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器流动控制原理及应用研究

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器流动控制原理及应用研
究
纳秒脉冲介质阻挡放电NS-DBD(Nanosecond Pulse Dielectric Barrier Discharge)等离子体激励器由于其结构简单、功耗低、工作频带宽、响应快、可控来流速度高等优势,广泛地应用于旋涡、分离流的控制中。

由于纳秒脉冲等离子体流动控制技术涉及到多学科,且具有极端的时间尺度,激励器放电后产生力、热、声等多种物理扰动,导致其流动控制机理还不明确。

为了进一步探究纳秒脉冲等离子体激励器的流动控制机理,本文采用试验与数值模拟相结合的方法,围绕纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励器诱导旋涡机理、激励器流动控制主导扰动因素两个关键科学问题开展研究。

在此基础上,进行了流动控制在飞翼布局飞行器上的应用研究。

论文首先通过PIV(Particle Image Velocimetry)、红外成像试验,研究了纳秒脉冲等离子体激励器产生的时间平均速度扰动和加热效应。

并用高速纹影和数值模拟获得了激励器产生的瞬态压缩波结构和局部温度变化,实现了对激励器本体特性的全面认识。

其次,将纳秒脉冲等离子体激励器应用于平板边界层的控制。

采用PIV技术和壁面探针测量了激励器对平板边界层的时间平均扰动结果,采用数值模拟获得了激励器放电后对边界层的瞬态扰动变化。

结果表明,开启激励后平板边界层存在强烈的涡量变化。

运用涡量输运方程,分析了纳秒脉冲等离子体激励器产生涡量的物理机理,并从Richtmyer-Meshkov 不稳定性的角度分析了等离子体诱导旋涡的产生机理。

然后,将纳秒脉冲等离子体激励器应用于二维翼型。

通过巧妙的纹影试验设
计,将纳秒脉冲等离子体激励器产生的物理效应分开,通过对比试验研究,得到了纳秒脉冲等离子体激励器在流动控制中的主要因素。

烟线、PIV试验和数值模拟结果表明:等离子体放电后产生密度和压力梯度
扰动,引起流体的斜压性,进而产生涡量,诱导旋涡,旋涡又在剪切流动K-H不稳
定性的作用下放大,促进了剪切层内外流动掺混。

由于纳秒脉冲等离子体激励器在扰动流场的这一过程中,流场结构复杂,通过POD(Proper Orthogonal Decomposition)正交模态分解,提取了流动控制过程中主要的流场模态,获得了
流动控制过程中流场的主要变化因素。

由于剪切流动的控制在流体力学、航空航天具有重要意义,本文研究了对流动控制效果影响最大的激励参数。

通过压力和PIV测量的对比研究,获得了剪切流动控制中的最优频率—无量纲放电频率~+≈1;而最佳的激励位置和流动状况
有关—位于分离点之前,且距离较近。

最后,本文将激励器应用于飞翼布局飞行器,开展了纳秒脉冲等离子体激励
器在飞翼飞行器的气动力、气动力矩控制的应用研究。

实现了旋涡和分离流的控制,提高了飞行器的气动性能。

本文深入研究了纳秒脉冲等离子体激励器的基本特性、阐明了激励器诱导旋涡的机理和控制流动的主导因素、明确了激励器的流动控制机理,对纳秒脉冲等离子体激励器在流体机械、航空航天的应用具有一定的理论意义和工程应用价值。